地铁隧道施工引起的地表沉降及变形测量

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　　【摘要】地表沉降及变形是地铁盾构隧道施工过程中最需要重点关注的问题，其直接影响周围地面建筑和地下设施的正常使用，因此，对地表沉降及变形测量至关重要。论文首先分析了盾构掘进引起地表沉降及变形产生的原因，重点探讨了地铁隧道施工引起的地表沉降及变形测量方法。
　　【关键词】地铁隧道施工；沉降及变形；测量
　　
　　盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进步，由于盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形以及地面的沉降及变形。地层扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将会引起长时间内的固结和次固结沉降及变形。当地层变形超过一定范围时，就会危及到邻近建筑物和地下管网的安全，进而引起一系列的岩土环境问题。由此可见，研究盾构施工产生地表沉降及变形的机理具有重大的意义。
　　1 盾构掘进引起地表沉降及变形产生的原因
　　虽然不同学者基于各自的出发点提出了不同的盾构施工引起地表沉降及变形的机理，但是不可否认的一点就是土体位移源于开挖引起的扰动及由此产生的地层损失和扰动土的重新固结。1）地层损失。所谓地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积和理论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比来表示。地层损失一般包括盾构开挖面的地层损失、盾构纠偏产生的地层损失、盾构沿曲线推进时产生的地层损失以及盾壳外径和管片直径之间空隙引起的地层损失。引起地层损失的施工及其他主要因素有：盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降及变形；当盾构推进时如作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力，则正面土体向上向前移动，引起地层损失(欠挖)而导致盾构前上方土体隆起。2）在盾构暂停推进时，由于盾构推进千斤顶漏油回缩，可能引起盾构后退，使开挖面土体塌落或松动，造成地层损失。3）由于向盾尾后面、隧道外围建筑空隙中压浆不及时、压浆量不足或压力不适当，使盾尾后坑道周边土体失去原始三向平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。在含水不稳定地层中，这往往是引起地层损失的主要因素。4）盾构在曲线中推进、纠偏、抬头或叩头推进以及实际开挖断面不是圆形而是椭圆形而易引起地层损失。盾构轴线与隧道轴线的偏角越大，则对土体扰动超挖程度及引起的地层损失也越大，当盾构机曲线推进时，由于对土体扰动加剧，地面最大沉降及变形量要大于正常推进时地面最大沉降及变形量，靠近盾构机位置的横断面上地表面处的变形出现不对称；当盾构机抬头推进时，地面最大沉降及变形量要大于正常推进时地面最大沉降及变形量。与正常推进时的变形比较可以发现，除了隧道下沉量增加外，在工作面处地表面的变形由正常推进的沉陷变为此时的隆起，隧道工作面前方有较大的隆起。5）随盾构推进而移动的盾构正面障碍物，使地层在盾构通过后产生空隙而又无法及时压浆填充。6）盾壳移动对地层的摩擦和剪切。7）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。隧道衬砌沉降及变形较大时，会引起不可忽略的地层损失。
　　2 控制盾构隧道施工地面沉降及变形测量方法
　　沉降观测按部位可分为表层沉降观测、深层(分层)沉降观测和断面沉降观测。经过多年的发展，沉降观测方法不断完善，观测仪器类型也越来越多，但不同的观测方法和观测仪器适用于不同的工程地质条件。目前，沉降监测常用的方法有:监测桩、沉降杯、沉降板、磁环沉降仪、水压式剖面沉降仪和水平测斜仪等。接下来，将对以上这些方法做一个简单的介绍。
　　2.1 监测桩。用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪持平，即可测量土体表面的沉降量。一个监测桩只能观察路面上一点的沉降，若要进行整个断面的沉降测量，必须埋设多个监测桩。在不同位置埋设的监测桩的尺寸有着不同的要求。此方法最简便，但只能测定建筑物表面的沉降值，无法测试土体内部某一位置的沉降，对填土施工有干扰。
　　2.2 沉降水杯测量。监测路基内部变形最有效、最经济的手段之一是沉降水杯测量。沉降水杯利用连通器原理，把路基内部某一点的高程映射到路基外部，故测量路基外部该映射点的高程即可知道路基内部观测点的高程。通过一定时间段监测该映射点高程的变化，即可清晰点绘出路基内部观测点的形变历程。而这些形变历程是研究路基变形机理及规律的基础数据。其优点在于观测方法原理简单、浅显易懂、造价低廉。缺点是根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行;在比较寒冷的地区也不适应;直接目测观测水杯读取液面刻度值，精度较低(士1mm)。该方法用于室内试验观测比较容易，用于实际工程观测时，由于现场条件复杂、天气变化异常、实际操作比较困难，一般较少使用。
　　2.3 沉降板。沉降板一般用于观测软土地基总沉降，测试地基面在不同处理措施、不同荷载条件下地基面的沉降分布。沉降板作为沉降动态观测的方法之一，以其代价低、设置方法简单、易观测被广泛采用，取代了一些地区使用仪器观测，但数据的准确性和精确性容易受影口向。沉降板底座随着路基沉降，通过与底座相连的测杆，可以测得底座埋设处的路基沉降值。
　　2.4 磁环沉降仪。磁环沉降仪[5]是分层沉降仪中运用最为广泛的一种。磁环沉降仪的工作原理磁环沉降仪所用传感器是根据电磁感应原理设计，将磁感应沉降环(沉降标)预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置，当传感器通过磁感应环时，产生电磁感应信号送至地面仪表显示，同时发出声光报警(一般是蜂鸣器发出信号)。读取孔口标记点上对应钢尺的刻度数值，即为沉降环的深度。一般每次测量值与前次测值相减即为该测点的沉降量。但是实际测量中可以根据条件，选择孔口标高或最底层沉降标位置作为监测基准点，通过对不同时期测量结果的对比分析，可以确定各土层的沉降(或隆起)结果。
　　2.5 PVC管测斜仪。PVC管测斜仪(也称测斜仪)是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪器。PVC管沉降仪按使用方式不同，可分为滑动式测斜仪和固定式测斜仪。固定式是将测斜仪测头固定在土体内某点位移的位置，用传输信号电缆引出地面进行观测。采用固定式测斜仪观测的测点，一般用于活动式测斜仪难以做到观测的测点，其费用高，测头损坏难以维修，目前采用甚少。活动式测斜仪探头便于维修，并可进行多点连续观测，应用十分广泛。若按敏感元件不同则可分为伺服加速度计式、电阻应变片式、钢弦式、差动电阻式等。由于伺服加速度计式测斜仪精度高、长期稳定性好，现已被广泛采用。若按仪器测量方向不同则可分为垂向测斜仪(测量水平位移)、水平测斜仪(测量垂向位移)和斜向测斜仪(测量斜面的法向位移)。
　　3 结语
　　总之，城市隧道地质条件一般很复杂，一般都处于松散、软弱土层中，因此对地铁隧道施工引起的地表沉降及变形的观测尤为重要，目前沉降及变形的测量的方法诸多，对于实际工程中某种方法的采用应该结合实际情况来选定地表沉降及变形的测量方法。
　　
　　参考文献：
　　[1]杨海朋.施工过程中浅埋隧道自身性状及上部建筑物沉降变形的数值分析[D].湖南大学硕士论文,2007.
　　[2]王新定,孙宝俊,畲才高.地铁建设对城市环境的影响及其对策[J].城市轨道交通研究,2004,(3):88-89.
　　[3]王占生,王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施[J].中国安全科学学报,2002,12(2):45-49.
　　
　　

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